GRADO DE INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIÓN TRABAJO...
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GRADO DE INGENIERÍA DE TECNOLOGÍAS Y SERVICIOS DE LA
TELECOMUNICACIÓN
TRABAJO FIN DE GRADO
DISEÑO Y ANÁLISIS DE UNA ANTENA MONOPULSO EN BANDA W
JUAN CARLOS PAGÉS ALVAREZ
2017
GRADO EN INGENIERÍA EN TECNOLOGÍA Y SERVICIOS DE
LA TELECOMUNICACIÓN
TRABAJO FIN DE GRADO
Título: Diseño y análisis de una antena monopulso en banda W
Autor: D. Juan Carlos Pagés Alvarez
Tutor: D. Mariano Barba Gea
Ponente: D. ………………
Departamento: Señales, Sistemas y Radiocomunicaciones
MIEMBROS DEL TRIBUNAL
Presidente: D.……………
Vocal: D.…………..
Secretario: D.…………..
Suplente: D.……………..
Los miembros del tribunal arriba nombrados acuerdan otorgar la calificación de:
………
Madrid, a de de 2017
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROSDE TELECOMUNICACIÓN
GRADO DE INGENIERÍA DE TECNOLOGÍAS Y SERVICIOS DE LA TELECOMUNICACIÓN
TRABAJO FIN DE GRADO
DISEÑO Y ANÁLISIS DE UNA ANTENA MONOPULSO EN BANDA W
JUAN CARLOS PAGÉS ALVAREZ
2017
RESUMEN
En los sistemas de radares de seguimiento es imprescindible tener una antena monopulso con buenas
prestaciones. La técnica de monopulso detecta con mayor precisión el ángulo de error en el
apuntamiento a un blanco, transmitiendo simultáneamente varios lóbulos en un mismo impulso,
eliminando cualquier fluctuación de amplitud en los ecos, provocada por la diferencia de tiempo en la
transmisión de los lóbulos.
Uno de los métodos utilizados en los sistemas monopulsos es la comparación de amplitud usando cuatro
antenas de bocina. Este consiste en encontrar un punto o eje central de apuntamiento al blanco para
lograr una simetría, obteniéndose la misma energía de eco en las cuatro antenas. Sin embargo, si el
objetivo se mueve fuera del eje, hay un desequilibrio en la energía recibida en las cuatro antenas. El
radar detecta el desplazamiento del objetivo mediante la comparación de la amplitud de la señal de eco
en cada una de las bocinas. Esto se logra con el uso de dispositivos de microondas, encargados de
realizar operaciones de sumas y restas en las salidas de las bocinas y obtener señales monopulso de
suma y diferencia, logrando detectar cualquier desequilibrio en las direcciones de azimut y elevación.
Por tanto es necesario generar un canal suma, un canal diferencia en azimut y un canal diferencia en
elevación. Los principales problemas de esta configuración son la cantidad de dispositivos híbridos de
microondas necesarios para realizar las operaciones, debido a que en banda W sería muy complicado
llevarlo a cabo. Por otro lado, el diagrama que se obtiene no es óptimo, al ser la separación entre las
antenas de varias longitudes de onda, por causa de las aperturas individuales de las antenas.
El principal objetivo de este trabajo de fin de grado consiste en diseñar una única antena de bocina y
generar los canales deseados mediante la combinación de modos de propagación electromagnéticos que
dará como resultado una estructura más fácil de fabricar y el uso de menos dispositivos híbridos de
microondas. Al utilizar una sola antena es más fácil lograr un mejor rendimiento ajustando las
amplitudes y fases de los modos y las longitudes de las secciones de fase de la antena. Para ello se
realizará en primer lugar el estudio de los modos de propagación, para lograr distintos diagramas de
radiación a partir de la combinación de modos superiores.
Como punto de partida se tomará un diseño de bocina piramidal que trabaje en la banda W, con una
frecuencia central de 94GHz.Teniendo en cuenta distintos parámetros físicos y eléctricos, se realizarán
transformaciones para poder combinar los modos deseados con buenas prestaciones. Seguidamente se
desarrollará el proceso de diseño de los circuitos de adaptación y generación de modos con los que se
alimentará a la antena. Por último se analizará el funcionamiento de la antena de bocina, se evaluará su
comportamiento y se generarán los planos de fabricación del prototipo final. Todo este trabajo se llevará
a cabo con el uso de los softwares comerciales ANSYS High Frecuency Electromagnetic Field
Simulation (HFSS) y µWave.
SUMMARY
In monitoring radar systems it is essential to have a monopulse antenna with good performance. The
monopulse technique more accurately detects the angle of error in pointing to a target, simultaneously
transmitting several lobes on the same pulse, eliminating any amplitude fluctuation in the echoes,
caused by the time difference in the lobes transmission.
One of the methods used in monopulse systems is the amplitude comparison using four horn antennas.
This method consists in finding a central point or axis of targeting to the target to achieve a symmetry,
obtaining the same energy of echo in the four antennas. However, if the target moves off the center axis,
there is an imbalance in the energy received in the four antennas. The radar detects the displacement of
the target by comparing the amplitude of the echo signal in each of the horns. This is achieved through
the use of microwave devices, in charge of performing addition and subtraction operations on the
outputs of the horns and obtaining monopulse signals of addition and difference, detecting any
imbalance in the directions of azimuth and elevation. Therefore it is necessary to generate a sum
channel, a difference channel in azimuth and a channel difference in elevation.
The main problems with this configuration are the number of hybrid microwave devices required to
perform the operations, because W-band is very complicated to carry out. On the other hand, the
diagram that is obtained is not optimal, being the separation between the antennas of several
wavelengths, because of the individual openings of the antennas.
The main objective of this project is to design a single horn antenna and generate the desired channels
by combining electromagnetic propagation modes which will result in an easier structure to
manufacture and the use of fewer hybrid microwave devices. By using a single antenna it is easier to
achieve better performance by adjusting the amplitudes and phases of the modes and the lengths of the
phase sections of the antenna. To do this, the study of propagation modes will be carried out first, in
order to obtain different radiation diagrams from the combination of higher modes.
As a starting point a pyramidal horn design will be used to work in the W band, with a central frequency
of 94GHz. Taking into account different physical and electrical parameters, transformations will be
made to combine the desired modes with good performance. Then the design process of matching
circuits and generating modes that will feed the antenna, will be developed. In conclusion, the operation
of the monopulse horn antenna will be analyzed, its behavior will be evaluated and the manufacturing
plans of the final prototype will be generated. All this work will be carried out with the support of
commercial electromagnetic analysis software HFSS and μWave.
PALABRAS CLAVE
Diseño, bocina, guías de onda, monopulso, multimodo, modos electromagnéticos, radar de
seguimiento, diagrama suma, diagrama diferencia en azimut, diagrama diferencia en elevación,
basura espacial, control de tráfico aéreo, HFSS, µWave.
KEYWORDS
Design, horn antenna, waveguides, monopulse, multimodes, electromagnetic modes, tracking
radar, sum diagram, azimuth difference diagram, elevation difference diagram, space debris,
air traffic control, HFSS, μWave.
AGRADECIMIENTOS
Quiero agradecer en primer lugar a mi tutor, Mariano Barba Gea, por la ayuda y los consejos
brindados, que han sido imprescindibles para la realización de este proyecto.
También dar las gracias a mi familia en especial a mis padres por su educación, esfuerzo y confianza,
pilares fundamentales en mi formación y mis logros.
A mi hermana, por el cariño y el amor que me brinda, por su ayuda en los momentos difíciles y por
las alegrías en los momentos de felicidad.
A la memoria de mi abuelo, al que quise mucho a pesar de disfrutar poco de él.
Mención especial a mis amigos, los que le dan sentido a la vida, gracias por las alegrías en los
momentos felices y por su ayuda y comprensión en los momentos difíciles.
Por último, dar gracias a todo el que de una forma u otra ha aportado su granito de arena para que
este momento en mi vida se haga realidad.
ÍNDICE DEL CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ......................................................... 1
1.1. Introducción ................................................................................................................ 1
1.2. Estado del Arte ............................................................................................................ 3
1.3. Objetivos ..................................................................................................................... 3
1.4. Estructura del proyecto................................................................................................ 4
2. DESARROLLO ................................................................................... 5
2.1. Guías de onda .............................................................................................................. 5
2.2. Guías de onda rectangulares ........................................................................................ 5
2.2.1. Modos TE ........................................................................................................................ 6
2.2.2. Modos TM ...................................................................................................................... 7
2.3. Análisis de las discontinuidades y de los modos en los saltos de guía ....................... 8
2.4. Generación de modos .................................................................................................. 9
3. ANTENA DE BOCINA ....................................................................... 14
3.1. Bocinas Rectangulares .............................................................................................. 14
3.1.1. Cálculo de directividad en bocinas sectoriales de plano H ........................................... 14
3.1.2. Cálculo de directividad en bocinas sectoriales de plano E............................................ 17
3.1.3. Bocina piramidal ........................................................................................................... 19
3.1.4. Bocina piramidal corrugada .......................................................................................... 19
3.2. Diseño de la antena de bocina ................................................................................... 21
3.2.1. Antena de bocina piramidal .......................................................................................... 21
3.2.2. Antena de bocina sectorial de plano H de dos puertos .................................................. 22
3.2.3. Antena de bocina sectorial de plano H de cuatro puertos ............................................. 25
3.2.4. Antena de bocina piramidal de cuatro puertos .............................................................. 27
3.2.5. Diseño final: Antena de bocina piramidal de ocho puertos .......................................... 30
4. ALIMENTACIÓN DE LA ANTENA .................................................... 34
4.1. Divisor de potencia.................................................................................................... 34
4.1.1. Divisor de potencia en plano E ..................................................................................... 35
4.2. Red de alimentación .................................................................................................. 39
5. RESULTADOS.................................................................................. 41
6. CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS ............................................. 47
6.1. Conclusiones ............................................................................................................. 47
6.2. Líneas futuras y recomendaciones ............................................................................ 47
7. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................... 49
1
1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
1.1. INTRODUCCIÓN
Dado el creciente uso de sistemas de radares para aplicaciones de seguimiento y apuntamiento con
ondas milimétricas, vamos a analizar en el siguiente trabajo el diseño de un prototipo de antena
monopulso para la banda W, concretamente a la frecuencia central de 94GHz, que formará parte de un
sistema radar de seguimiento.
El radar de seguimiento tiene un haz en forma de pincel muy estrecho, por este motivo depende
generalmente de la información de un radar de exploración, para localizar el objetivo y lograr
engancharlo, es decir, necesita información extra para colocar su haz sobre el blanco y comenzar el
proceso de seguimiento. En la actualidad hay una gran variedad de sistemas radar de vigilancia y de
seguimiento, incluso algunos que realizan ambas funciones simultáneamente.
Entre las muchas aplicaciones en la que se puede dar uso a esta antena, está el seguimiento de aeronaves
en el control de tráfico aéreo. También puede ser utilizada para la detección de basura cósmica,
problema que preocupa fuertemente a la Agencia Espacial Europea (ESA) por el peligro que supone
una colisión de basura cósmica con algún elemento espacial que orbita alrededor de la tierra.
Existen muchas técnicas de seguimiento para radares, entre ellas podemos encontrar la exploración
cónica, exploración secuencial y la exploración basada en monopulso por comparación de amplitud y
por comparación de fase.
La primera técnica utilizada para el seguimiento angular de blancos por radar se basaba en detectar el
objetivo cambiando el haz rápidamente de un lado a otro del eje de la antena. Estos radares usaban una
matriz de elementos radiantes que conmutaban su fase para proporcionar dos posiciones de haz para la
operación de recubrimiento. Un operador de radar se encargaba de observar a través de un osciloscopio
la amplitud de los impulsos. Cuando el objetivo estaba centrado en el eje de la antena, la amplitud de
los impulsos se mantenían iguales. Si el receptor detectaba una diferencia de amplitud, indicaba que el
blanco estaba descentrado, el operador del radar calculaba el error y su procedencia y corregía la
dirección de apuntamiento de la antena hasta que se restablecía el equilibrio entre las dos amplitudes
del haz, estando nuevamente centrado el objetivo en el eje de la antena.[1]
Esta técnica de recubrimiento (lobing) fue extendida más tarde a la exploración cónica, que no es más
que la rotación continua del haz alrededor del eje focal que apunta al blanco, como se muestra en la
figura 1.1. Esta técnica se basa en un circuito de detección de error angular proporcional al error de
seguimiento, añadiendo una fase que indica la dirección del error. La señal de error actúa sobre el
sistema de rotación de la antena para corregir el eje de apuntamiento hasta reducir el error a cero y
volver a centrar el objetivo. La exploración continua de haz se realiza moviendo mecánicamente
alrededor de un punto focal de apuntamiento al blanco, la antena describe un movimiento circular
alrededor del objetivo, moviendo la dirección fuera de su eje cuando el blanco se mueva fuera del punto
focal.
Figura 1.1 Antena de seguimiento de exploración cónica.
2
Entre las principales desventajas que presentan estos sistemas podemos encontrar la limitación en el
seguimiento a largo plazo. Si un objetivo está alejado a una distancia grande, la señal transmitida en un
lóbulo ascendente regresará como un eco cuando la antena esté apuntando hacia abajo en otro lóbulo,
cancelando el efecto de la exploración y la capacidad de detección del error de ángulo.
La desventaja que presentan las técnicas anteriores de barrido y recubrimiento, en cuanto a la
fluctuación de la amplitud del eco, fue la principal razón para desarrollar un sistema de seguimiento
capaz de generar todos los lóbulos necesarios en un solo pulso, permitiendo detectar el ángulo de error
en el apuntamiento de forma más eficiente, ya que los sistemas basados en la técnica de monopulso
permiten corregir en tiempo real la posición de la antena. De esta forma los lóbulos se pueden comparar
simultáneamente eliminando así cualquier efecto de cambio de tiempo en la amplitud del eco. También
el hecho de que su estructura de alimentación esté montada de forma rígida, sin partes móviles, le da
una ventaja respecto a las técnicas anteriores minimizando así el margen de error en la medición angular,
superando a los sistemas de barrido en precisión.[2][3]
Entre los sistemas monopulso podemos encontrar dos tipos, los que se basan en la comparación de
amplitud y los basados en la comparación de fase. En el caso de los sistemas basado en comparación
de amplitud existen numerosas configuraciones. Entre ellas está la comparación de cuatro bocinas, que
corrige la dirección de apuntamiento cuando hay un desequilibro en la señal que llega a las bocinas. Las
señales de suma y diferencia se generan gracias a distintos dispositivos híbridos de microondas, entre
ellos están las T y las T-mágicas. Una desventaja que presenta la antena de cuatro bocinas es que genera
grandes lóbulos laterales en el plano de azimut.
Otra forma más práctica de diseñar antenas monopulso por comparación de amplitud consiste en utilizar
los modos superiores de propagación de las guías de onda. Con los modos superiores se generan los
distintos diagramas de radiación necesarios en vez de utilizar múltiples bocinas. La utilización de los
modos reduce el tamaño físico de la apertura total de la antena, esto es útil sobre todo cuando se utiliza
la antena de bocina como alimentador de una antena parabólica. El alimentador debe ser pequeño y
compacto para evitar el bloqueo de la abertura de la antena.
Como los radares de seguimiento monopulso de comparación de amplitud suelen generar tres diagramas
de radiación para apuntar al objetivo, necesitan tres canales receptores para obtener las tres señales que
proceden del blanco. Aunque este es el sistema más común, existen otros que combinan las señales de
otra manera permitiendo el uso de solo dos canales receptores, incluso el uso de un solo canal. Cabe
destacar que estos canales necesitan un procesado y circuitos de recepción más complejos que si se
utilizan tres receptores. [4]
La alimentación de estas antenas puede realizarse con polarizaciones verticales o circulares.
Dependiendo del tipo de polarización con que se generen las señales varía el tipo de antena que se
utilice. Pueden diseñarse antenas rectangulares, circulares o paraboloides.
La comparación de fase para antenas monopulso consiste en utilizar múltiples antenas con el haz de
apuntamiento al objetivo superpuesto. La interpolación de los ángulos objetivos dentro del haz se logra
comparando la fase de las señales de las antenas. Si el objetivo estuviera en el eje de apuntamiento de
la antena, la salida de cada apertura estaría en fase, cuando el objetivo se desplaza del eje en cualquier
dirección, se produce un cambio de fase relativa en las salidas de las antenas. Al ser las amplitudes
iguales en cada apertura, la detección del error angular se realiza únicamente con la detección de la
diferencia en la fase relativa de cada apertura.
El rendimiento básico del monopulso por comparación de fase y el monopulso por comparación de
amplitud es esencialmente el mismo. Las desventajas del monopulso comparador de fase respecto al de
comparación de amplitud son la dificultad para mantener un punto de mira muy estable y la dificultad
para proporcionar la inclinación deseada de la iluminación de la antena. Los diferentes caminos que
existen desde las salidas de las antenas hasta el circuito comparador de fase, hacen que este sistema sea
más susceptible a cambios debido a carga mecánica y dilatación por calentamiento.
3
1.2. ESTADO DEL ARTE
En el diseño de una antena para un radar, contar con la mejor tecnología para su implementación resulta
vital para lograr altos rendimientos. En el caso de las antenas de bocinas no es una excepción, en la
banda de ondas milimétricas este tipo de dispositivo presenta buenos parámetros de radiación,
directividad y bajas reflexiones que lo transforma en un elemento fundamental para la utilización en
sistemas de radares, aunque en ocasiones sea difícil diseñarlo por la complejidad de los problemas que
se desean resolver o por las dimensiones físicas termina teniendo.
El uso de las antenas de bocina se remonta a la década de los años 30, pero no fue hasta el comienzo de
la segunda guerra mundial que se incrementó el interés en este tipo de antenas, debido a la necesidad
de la comunicación por microondas. En los años posteriores y en la actualidad su uso se ve ligado
principalmente a las comunicaciones por satélites y sistemas de radar.
Los principales tipos de antenas de bocina que existen se pueden clasificar por su geometría como
antenas de bocinas rectangulares, cónicas y elípticas. Las bocinas rectangulares por lo general tienen
como base una guía rectangular, cuya apertura se abocina en uno de los dos planos de la guía o en ambos
planos. En el caso de las bocinas cónicas y elípticas, parten generalmente de una guía de onda circular
donde la sección de abocinamiento tiene forma de cono y elipse respectivamente.
También existen distintas clases de bocinas, llegando a ser unas más eficientes que otras, pero la
eficiencia viene acompañada de una mayor complejidad de fabricación y síntesis, lo que conlleva a un
mayor coste. Entre las más conocidas podemos citar las bocinas lisas simples, las bocinas con secciones
múltiples y las bocinas corrugadas.
La bocina lisa simple es el tipo de bocina más sencillo de construir, solo tiene una etapa de
abocinamiento, sus prestaciones son buenas, los cálculos teóricos son muy similares a las mediciones
que se realizan en la bocina. Su principal limitación es que al contar con una sola etapa de
abocinamiento, limita la capacidad de maniobra para optimizar sus parámetros eléctricos.
La bocina de múltiples secciones es una bocina más eficiente que la de una sola etapa. Utilizar múltiples
secciones de bocina permite ajustar mejor los parámetros de reflexión de la antena, permite además
definir mejor la polarización de la antena y reduce la polarización cruzada. En definitiva, es un paso
intermedio entre la bocina simple y la bocina corrugada.
Las bocinas corrugadas son más eficientes que las anteriores, tienen muchos más parámetros de ajustes
que permiten obtener mejores prestaciones en un diseño dado. Pero la eficiencia viene acompañada de
la complejidad en su fabricación, sobre todo cuando se trabaja a altas frecuencias, donde las antenas
tienen dimensiones muy reducidas, que en ocasiones son difíciles de llevar a la práctica.[5]
1.3. OBJETIVOS
En este proyecto se pretende diseñar una posible configuración de antena monopulso basado en
comparación de amplitud, esta en concreto se diseñará en la banda W con polarización vertical. El
prototipo propuesto tendrá una frecuencia central de 94 GHz y un ancho de banda de 4 GHz, con
frecuencia inicial en 92 GHz y frecuencia final en 96 GHz.
Entre las diversas tecnologías que existen nos centraremos en usar, como base de la antena, guías de
onda rectangulares multimodo para generar los diagramas de radiación necesarios. Para lograr generar
el diagrama de radiación suma se excitará en la base de la antena el modo de propagación 𝑇𝐸10. El
diagrama de radiación diferencia en azimut se obtendrá generando en la guía multimodo, a la frecuencia
de trabajo, el modo 𝑇𝐸20. Para obtener el diagrama de radiación diferencia en elevación se utilizará más
de una base de guía multimodo, jugando con las fases de excitación en la entrada de la nueva base se
podrá generar el diagrama.
Para aumentar la directividad de la antena se conectará una bocina piramidal a la base, el objetivo es
obtener los diagramas de radiación suma y diferencia en la misma frecuencia y una directividad de
4
25dB en el canal suma. La polarización cruzada en esta antena debe ser inferior a 23dB y en todos sus
componentes se exigirá una reflexión inferior a -20dB.
También se planteará una propuesta de circuito para la alimentación de la antena monopulso, éste
contará con dispositivos híbridos de microondas para combinar las señales de transmisión y recepción
de la antena. La alimentación se realizará de forma secuencial y la recepción se hará por tres canales,
por lo que esta antena necesitará tres receptores de amplitud.
1.4. ESTRUCTURA DEL PROYECTO
En el segundo capítulo de este proyecto, se diseñará la guía multimodo, se analizarán técnicas para
desarrollar y sintetizar estos dispositivos. Se obtendrán distintas variantes y se elegirá la que presente
mejores prestaciones como base de la antena.
El tercer capítulo estará dedicado a encontrar una antena de bocina adecuada para alcanzar la
directividad que se tiene como objetivo en este proyecto. Nuevamente se tendrán en cuenta distintas
variantes y se verificarán las prestaciones de cada una de ellas. En dependencia de los diagramas de
radiación y los parámetros eléctricos que se obtengan se propondrá una bocina que cumpla con los
objetivos planteados.
En los capítulos siguientes se propondrá una idea para alimentar adecuadamente la antena de bocina,
para finalmente proponer un diseño final completo con un análisis detallado de sus principales
parámetros eléctricos y de los diagramas de radiación que se obtienen. En la siguiente figura se puede
observar la estructura completa y los bloques en que se divide para obtener un diseño optimizado.
Figura 1.2 Estructura final
5
2. DESARROLLO
2.1. GUÍAS DE ONDA
Las guías de onda son un tipo de medio de transmisión conformada por un conductor cerrado relleno
de aire u otro material dieléctrico por donde se propagan las ondas electromagnéticas. Las guías de onda
son componentes fundamentales para aplicaciones de altas frecuencias, ideales para transportar señales
de alta potencia con bajas pérdidas. A partir de ellas pueden construirse una gran variedad de
dispositivos que las hacen muy atractivas para brindar distintas soluciones a diversas problemáticas en
el mundo de las microondas. Además, las guías de onda suelen ser dispositivos muy robustos, ideales
para aplicaciones que necesiten larga vida útil, que no puedan repararse o sustituirse por encontrarse en
ambientes de difícil acceso, como puede ser el espacio. Su comportamiento es satisfactorio en cuanto
a parámetros eléctricos y a agentes externos como las temperaturas extremas.
Las altas frecuencias para la cual se diseñan estos dispositivos hacen que no se puedan resolver los
problemas de microondas con la teoría de circuitos clásica y se tenga que recurrir a las ecuaciones de
Maxwell para dar respuesta y caracterizar el comportamiento de los dispositivos que operan en la banda
de frecuencia de las microondas. [6]
Existe un número infinito de modos de propagación y las condiciones de propagación dependen de las
características de la guía, sus dimensiones, frecuencia de trabajo y polarización. En una guía de onda,
tomando el eje 𝑧 como el eje de referencia para la transmisión de la señal, se pueden clasificar los
modos de propagación en función de las componentes vectoriales de los campos eléctricos y magnéticos
respecto de la dirección de propagación. Dentro de esta clasificación tenemos:
-Modos Transversales Eléctricos (TE), se caracterizan por no tener componentes longitudinales de
campos eléctricos en el sentido de la propagación de la información.𝐸𝑧 = 0, 𝐻𝑧 ≠ 0.
- Modos Transversales Magnéticos (TM), se caracterizan por no tener componentes longitudinales de
campos magnéticos en el sentido de la propagación de la información.𝐻𝑧 = 0, 𝐸𝑧 ≠ 0.
- Modos Transversales Electromagnéticos (TEM), se caracterizan por no tener ninguna componente
longitudinal de campo eléctrico ni magnético. 𝐸𝑧 = 𝐻𝑧 = 0. Estos modos no se propagan en las guías
de onda ya que necesitan dos o más conductores para propagarse.
Según la geometría de la guía se propagan uno u otro modo, o incluso varios modos a la vez. En función
del número de modos que se propagan a través de la guía se puede clasificar la misma en guía
monomodo (cuando se propaga un solo modo) y guías multimodo (cuando se propagan varios modos a
la vez), llamándose modo fundamental al primer modo que se propaga en la guía y modo de orden
superior al primer modo que no se propaga.
2.2. GUÍAS DE ONDA RECTANGULARES
Las guías de onda tienen distintas geometrías, en dependencia de la necesidad a cubrir, siendo las más
populares las guías de onda rectangulares y las guías de onda circulares. En este apartado se
profundizará en el estudio de algunas características de las guías de onda rectangulares.
La guía de onda rectangular (Figura 2.1) fue uno de los primeros dispositivos utilizados para transmisión
de señales basadas en ondas electromagnéticas. Su geometría consiste en un conductor con forma
rectangular, relleno de un material dieléctrico con permeabilidad µ y permitividad ε. Para adaptarse a
los cálculos, el lado más largo del rectángulo se denomina con la letra 𝑎 y suele usarse como eje de
referencia el eje 𝑥, el lado más corto se denomina 𝑏 y suele usarse el eje de referencia 𝑦, dejando el eje
𝑧 para el sentido de la propagación de la onda. En este tipo de guías de onda solo se propagan los modos
TE y TM.
6
Figura 2.1 Guía de onda rectangular.
2.2.1. MODOS TE
Los modos TE son los caracterizados por tener la componente de campo longitudinal eléctrico igual a
cero. El campo longitudinal 𝐻𝑧 se puede encontrar resolviendo la siguiente ecuación:
( , , ) cos cos j z
z mn
m x n yH x y z A e
a b
(2.1)
donde 𝐴𝑚𝑛 es una constante de amplitud arbitraria.
Las componentes de campos transversales de los modos 𝑇𝐸𝑚𝑛 pueden ser encontradas usando las
siguientes ecuaciones:
2cos j z
x mn
c
j n m x n yE A sen e
k a a b
(2.2)
2cos j z
y mn
c
j m m x n yE A sen e
k a a b
(2.3)
2cos j z
x mn
c
j m m x n yH A sen e
k a a b
(2.4)
2cos j z
y mn
c
j n m x n yH A sen e
k b a b
(2.5)
La constante de propagación de los modos TE se calcula como:
2 2
2 2 2
c
m nk k k
a b
(2.6)
Si la constante de propagación es real corresponde a un modo que se propaga, esto se cumple cuando:
2 2
c
m nk k
a b
(2.7)
La frecuencia de corte es la frecuencia a partir de la cual comienza a propagarse cada modo. Para que
un modo pueda ser excitado, la frecuencia de trabajo tiene que ser superior a la frecuencia de corte. La
misma puede ser calculada a partir de la siguiente ecuación:
7
2 21
2 2mn
cc
k m nf
a b
(2.8)
Otro parámetro que se puede calcular es la impedancia de los modos 𝑇𝐸, que relaciona los campos
transversales eléctricos y magnéticos:
TE
Ex Ey kZ
Hy Hx
(2.9)
Donde 𝜂 = √𝜇 𝜖⁄ es la impedancia intrínseca de la guía. La impedancia 𝑍𝑇𝐸 es real cuando hay
propagación del modo, o sea, cuando 𝛽 es real. Si 𝑍𝑇𝐸es imaginaria significa que el modo no se propaga
a través de la guía.
La longitud de onda dentro de la guía se define como:
2 2g
k
(2.10)
y la velocidad de fase es:
1pvk
(2.11)
2.2.2. MODOS TM
De forma análoga se puede analizar también el comportamiento de las componentes de los campos
eléctricos y magnéticos cuando se propagan los modos TM. La componente longitudinal de campo
magnético es cero. La solución para 𝐸𝑧 quedaría:
( , , ) j z
z mn
m x n yE x y z B sen sen e
a b
(2.12)
Las componentes de los campos transversales quedan:
2cos j z
x mn
c
j m m x n yE B sen e
ak a b
(2.13)
2cos j z
y mn
c
j n m x n yE B sen e
bk a b
(2.14)
2cos j z
x mn
c
j n m x n yH B sen e
bk a b
(2.15)
2cos j z
y mn
c
j n m x n yH B sen e
ak a b
(2.16)
siendo la constante de propagación:
2 2
2 2 2
c
m nk k k
a b
(2.17)
La frecuencia de corte de los modos se calcula de la misma forma que en los modos 𝑇𝐸 (ecuación 2.8),
con la salvedad de que el primer modo que se propaga es el 𝑇𝑀11 (𝑚 ≠ 0; 𝑛 ≠ 0).
La impedancia 𝑍𝑇𝑀 se calcula como:
8
yxTM
y x
EEZ
H H k
(2.18)
2.3. ANÁLISIS DE LAS DISCONTINUIDADES Y DE LOS MODOS
EN LOS SALTOS DE GUÍA
Las discontinuidades están muy presentes en los circuitos de microondas. Son saltos que surgen como
resultado de una transición mecánica o eléctrica entre dos medios, debido a las dificultades y
necesidades del diseño que se esté realizando, como puede ser una transición entre dos tecnologías
diferentes o una unión entre dos guías de onda de diferentes dimensiones. Otro caso de discontinuidad
es el que se necesita para garantizar los distintos parámetros eléctricos en un prototipo que se esté
fabricando. Por ejemplo, garantizar la adaptación de impedancia, entre dos puertos.
En el caso de las guías de onda se utilizan las discontinuidades con el objetivo de obtener adaptaciones
de impedancia para lograr la máxima transferencia de potencia. Las discontinuidades generan
reflexiones en la guía que hay que tener en cuenta a la hora de realizar cualquier diseño. También
generan acumulaciones locales de campo producto de la excitación de modos superiores al expandirse
las dimensiones de la guía. Las discontinuidades en guías de onda son una forma sencilla de diseñar
elementos inductivos y capacitivos que sirven para modificar y optimizar la respuesta de los circuitos.
Entre las discontinuidades más conocidas está la expansión en el plano H (Figura 2.2), en la misma
vamos a tener componentes de los campos electromagnéticos en ambos lados de la discontinuidad. Por
causa del salto en la guía se va a generar una onda transmitida y otra reflejada en el punto donde se
encuentra la discontinuidad, así como modos de orden superior causado por la expansión en el eje 𝑥 de
la guía. Estos modos son de la forma 𝑇𝐸𝑚0 ya que al no haber expansión en el eje 𝑦, los modos con
𝑚 ≠ 0 no serán excitados.
El circuito equivalente del salto en el plano H tiene relación con un efecto inductivo, utilizando las
dimensiones adecuadas, se pueden lograr bajos niveles de reflexión debido a la adaptación de
impedancia que se logra.
Figura 2.2 Discontinuidad en el Plano H.
Otro tipo de discontinuidad es la de expansión en el plano E, es similar a la de plano H, lo que en este
caso varían las dimensiones de la guía en el eje 𝑦 (Figura 2.3). En la discontinuidad de plano E sí hay
una excitación de los modos con 𝑚 ≠ 0. El circuito equivalente de este tipo de guías es un condensador,
que como mismo pasa con el efecto inductivo en las discontinuidades en el plano H, puede ser útil a la
hora de lograr adaptaciones de impedancia.
Figura 2.3 Discontinuidad en el plano E.
En las guías de onda existen otros componentes que provocan efectos reactivos en la respuesta de los
circuitos, este es el caso de los diafragmas internos o irises. Estos irises son láminas conductoras de
espesor muy pequeño en comparación con 𝜆𝑔 y sirven de obstáculo interno en la guía, cambiando la
9
distribución de las líneas de campo 𝐸 y 𝐻 provocando efectos inductivos, capacitivos o resonantes en
la respuesta de estos circuitos. En dependencia de la posición del iris provoca un efecto distinto, a
continuación se muestra algunos de los ejemplos de iris más utilizados en las guías de onda:
Figura 2.4 Discontinuidades con Iris.
2.4. GENERACIÓN DE MODOS
La antena que se desea diseñar va a tener en principio una polarización vertical por lo que interesa que
los modos de propagación tengan también polarización vertical. Por simplicidad y mejores prestaciones
utilizaremos los modos de propagación 𝑇𝐸10 y 𝑇𝐸20 para generar los diagramas de radiación suma y
diferencia en azimut, luego se analizarán técnicas para generar el diagrama diferencia en elevación.
Figura 2.5 Modos de propagación 𝑇𝐸10 𝑦 𝑇𝐸20 en guías de onda.
Las guías de entrada a la base de la antena serán guías de onda WR-10, con dimensiones 𝑎 = 2.54𝑚𝑚
y 𝑏 = 1.27𝑚𝑚. En esta guía solo se propaga el modo 𝑇𝐸10 y su frecuencia de corte según la ecuación
(2.8) es 59.06 𝐺𝐻𝑧.
Para lograr que se propague el modo 𝑇𝐸20, como se muestra en la figura 2.5, es necesario que las
dimensiones de la guía sean superiores a la guía WR-10, debido a que en la banda de trabajo que nos
encontramos se necesitan mayores dimensiones para que se propaguen los modos superiores. Por tanto
en nuestro diseño va a ser necesario en primer lugar una expansión en el plano H de la guía.
En la figura 2.6 se muestra la configuración inicial de la base de la antena, la cual parte de dos guías de
entrada WR-10 que combinando sus salidas sirven para generar los modos necesarios. Como el salto
entre las guías de entrada y la guía de salida es muy grande, vamos a necesitar etapas intermedias que
10
van a permitir que se adapten los puertos para lograr bajas reflexiones y máxima transferencia de
potencia entre ellos. En la tabla 2.1 se muestra las dimensiones de la base.
Figura 2.6 Base de la antena multimodo.
Dimensiones Valor (mm)
Guías de entrada
anchura 2.54
altura 1.27
longitud 0.51
Sección de pico
longitud 0.19
ranura de entrada 0.1
Sección de adaptación 1
anchura 6.74
altura 1.27
longitud 0.85
Sección de adaptación 2
anchura 8.08
altura 1.27
longitud 1.05
Tabla 2.1 Dimensiones de la base de la antena multimodo.
Cabe destacar que en la guía multimodo, no solo se propagan los modos necesarios para generar los
diagramas de radiación que interesan en este diseño. Debido a las dimensiones y a la frecuencia de
trabajo que estamos utilizando, se propagan más modos que tienen distintas polarizaciones y pueden
cambiar la respuesta y la forma de los diagramas de radiación resultantes. Por tanto, con ayuda de las
longitudes de fases de las guías de adaptación se intenta que estos modos tengan poca energía y altas
reflexiones, para así evitar que se propaguen y se acoplen a los modos necesarios. [7]
El objetivo principal del diseño es lograr -20𝑑𝐵 en los dos modos de propagación que interesan en los
tres puertos de la base de la antena. En los puertos de entrada solo se propagará el modo 𝑇𝐸10 y en el
puerto de salida pueden llegar a excitarse los modos 𝑇𝐸10 y 𝑇𝐸20 que dependerá de la fase con que se
exciten los puertos de entrada. Más adelante es explica como ocurre este proceso. Pero lo importante es
que los modos que se exciten en el puerto 3 estén desacoplados entre ellos y que la transmisión se haga
de forma equitativa desde los puertos de entrada de la antena.
11
En la figura 2.7 se puede observar el comportamiento de los parámetros de reflexión de los modos en
toda la banda de trabajo. El modo que presenta peor reflexión es el modo 𝑇𝐸10 del puerto 3 (color gris).
Lo que provoca que este modo de propagación presente mayor reflexión que el resto de modos está
dado por la ranura que presenta la base en la entrada, que tendrá que ser lo suficientemente estrecha
para tratar de reducir lo mejor posible la reflexión del modo 𝑇𝐸10 . Hay que tener en cuenta que la ranura
no puede tener unas dimensiones muy reducidas para que sea posible su fabricación. Por tanto se tomó
como dimensión mínima el valor de 0.1𝑚𝑚 de espesor para la ranura. También se añadió un pequeño
pico al final de la guía de entrada para ayudar a suavizar aún más la resistencia que ofrece la ranura de
entrada y lograr reducir un poco más la reflexión en el puerto 3.
Con ayuda de los programas de análisis electromagnéticos HFSS y µWave se optimizó la estructura
para obtener las mejores prestaciones posibles.
Figura 2.7 Parámetros de Reflexión base de la antena multimodo.
Teniendo en cuenta que la reflexión de los puertos con solo expandir el plano H no es la mejor, se
analizaron otras configuraciones alternativas para lograr reducir estos parámetros en la guía de entrada.
La base que se muestra en la figura 2.10 presenta una expansión en el plano H, seguida de otra en el
plano E. Utilizar un salto en el plano E provoca la aparición de más modos, pero aumenta la cantidad
de secciones de adaptación logrando así mejores parámetros de reflexión en el modo más crítico, el
modo 𝑇𝐸10 del puerto 3. Optimizando el prototipo se logran los objetivos de reflexión y transmisión
deseados, así como aislar el resto de modos que comienzan a propagarse producto del aumento de las
dimensiones de la estructura.
Figura 2.10 Base de la antena con expansión en plano H y plano E.
12
La nueva base tiene unas dimensiones similares a la base anterior, lo que incorpora un par de etapas
posteriores que ayuda en mejorar los parámetros del diseño. En la siguiente tabla se muestran sus
dimensiones.
Dimensiones Valor (mm) Dimensiones Valor (mm)
Guías de entrada Sección de adaptación H 2
anchura 2.54 anchura 8.08
altura 1.27 altura 1.27
longitud 0.54 longitud 1.48
Sección de pico Sección de adaptación E 1
anchura 2.54 anchura 8.08
altura 1.27 altura 1.47
longitud 0.19 longitud 0.70
Sección de adaptación H 1 Guía de Salida
anchura 6.34 anchura 8.08
altura 1.27 altura 2.04
longitud 1.31 longitud 1.12
Tabla 2.4 Dimensiones de la base de la antena con expansión en plano H y plano E.
En la figura 2.11 se puede observar como todos los modos de propagación han disminuido su
reflexión, incluido el modo 𝑇𝐸10 del puerto 3 (color verde). Ahora todos los modos están por
debajo de -22dB en toda la banda de trabajo. En la tabla 2.5 se tiene información del
comportamiento de los parámetros S a la frecuencia central de trabajo, se puede destacar que
se cumplen algunas condiciones necesarias en la base, entre ellas la condición de que se divida
aproximadamente la transmisión en partes iguales entre los puertos de entrada y el desacoplo
entre los modos de propagación que llegan al puerto 3 (𝑇𝐸10 y 𝑇𝐸20).
Figura 2.11 Parámetros de reflexión de la base de la antena con expansión en plano H y plano E.
13
Tabla 2.5 Parámetros S a 94 𝐺𝐻𝑧.
Atendiendo a los resultados obtenidos en los análisis de las estructuras anteriores, se toma como
resultado este último diseño como base de la antena monopulso por tener mejores prestaciones y
resultados óptimos.
La segunda fase del diseño es encontrar un modo de propagación, o una combinación de modos que
nos permita generar los diagramas de radiación en elevación. Los principales inconvenientes que
tenemos es que necesitamos que los diagramas tengan una la polarización vertical, por tanto la
combinación de modos debe satisfacer esta necesidad. Para lograr este objetivo nos basamos en las
ecuaciones de campo eléctrico y campo magnético. Desarrollar este análisis trae como limitante la
forma de alimentar las guías de entrada para satisfacer la excitación necesaria, ya que se necesitaría el
aporte de varios modos con distintas amplitudes y fases de entrada. A esta frecuencia los dispositivos
necesarios para alimentar la antena son muy difíciles de fabricar, además de que se necesitaría una red
de alimentación muy compleja y podría no satisfacer las prestaciones necesarias en los puertos de
entrada de la antena, así como su difícil fabricación.
Por tanto se analizó una manera más simple de obtener los diagramas de radiación en elevación.
Consiste en aumentar el número de puertos de entrada duplicando la base que se obtuvo en este capítulo
y combinando las amplitudes y las fases con que se alimentan estos puertos. Es una solución más
sencilla y más fácil de llevar a la práctica. En el siguiente capítulo se analizarán diferentes diseños para
ver si se logra un diagrama de radiación que cumpla con las especificaciones eléctricas y de fabricación.
14
3. ANTENA DE BOCINA
3.1. BOCINAS RECTANGULARES
Como se había adelantado en los objetivos de este proyecto, se utilizará una antena de bocina
rectangular. Las antenas de bocina proporcionan una alta ganancia, bajo coeficiente de onda
estacionaria y un aceptable ancho de banda. Son relativamente fáciles de construir y los cálculos
teóricos son muy similares a las medidas de los parámetros eléctricos. Estas bocinas se pueden utilizar
de forma individual, en agrupación o como parte de un alimentador de un reflector parabólico.
Las bocinas se alimentan de guías de onda monomodo o multimodo. El abocinamiento no es más que
un aumento progresivo de las dimensiones de la apertura y un estrechamiento del haz, logrando un
aumento de la directividad muy por encima del que aporta la guía de onda. En la apertura de estas
bocinas se mantiene aproximadamente la misma distribución de los campos en amplitud que en la boca
de la guía de onda, pero con un error de fase de tipo cuadrático.
Partiendo de la boca de la guía, si la bocina ensancha solo su cara ancha (plano horizontal) sin cambiar
las dimensiones de la cara estrecha (plano vertical) se le llama bocina sectorial de plano 𝐻. Si sucede
lo contrario, se ensancha el plano vertical manteniendo constante el plano horizontal se denomina
bocina sectorial de plano 𝐸. Por último se le llama antena de bocina piramidal a la bocina que sufre un
ensanchamiento simultáneo del plano horizontal y vertical.[8]
3.1.1. CÁLCULO DE DIRECTIVIDAD EN BOCINAS SECTORIALES DE
PLANO H
Partiendo de la guía rectangular y tomando como ejemplo el modo fundamental 𝑇𝐸10 tenemos que la
distribución de campo eléctrico se define como:
0ˆ( , ) cos( )a
xE x y E y
a
(3.1)
La directividad en la apertura de una guía de onda quedaría:
24 4H E H E
ab a bD
(3.2)
Donde las eficiencias en el plano H y plano E valen2
80.81H
y 1E respectivamente.
Con el abocinamiento en el plano H, aparece un error de fase de tipo cuadrático, provocado por la
diferencia de caminos que se produce al ensanchar la guía (Figura 3.1).
Figura 3.1 Bocina sectorial de plano H
15
La diferencia de caminos y la diferencia de caminos máxima se definen como:
2
Ax
(3.3)
2
max
18
A
R (3.4)
En las bocinas sectoriales de plano H los campos transversales en la apertura se ven afectados por el
error de fase que se produce en el plano H, siendo:
2
28
0ˆ( , ) cos
xj t
Aa
xE x y E e y
A
(3.5)
La distribución de los campos en la apertura de la bocina termina siendo una versión expandida de los
campos que se obtienen en la apertura de la guía. Los campos que llegan a la apertura plana de la bocina
no llegan en fase, debido a que la onda que se propaga dentro de la bocina tiene una forma cilíndrica.
El error de fase produce una reducción de la eficiencia, un ensanchamiento del haz y a medida que
aumenta se van rellenando los nulos entre lóbulos.
En el plano E no se modifican los campos porque se mantienen las mismas dimensiones que en la guía
que le sirve de base a la bocina.
Si la apertura de la bocina es eléctricamente grande la constante de fase se puede aproximar a la del
espacio libre:
2
0 012
gA
(3.6)
La variación de fase en la apertura es uniforme en la dirección y, pero en la dirección 𝑥 es:
0 1( )j R Re
(3.7)
El error de fase máximo y el error de fase máximo en número de vueltas se alcanzan cuando se cumple
que 𝑥 = 𝐴/2 y quedan definidos como:
2
12x
R
(3.8)
2 2
max
1 1
2 22 2 8
A At
R R
(3.9)
donde 𝑡 es el error de fase expresado en múltiplo de 2 y se calcula como:
2
18
At
R (3.10)
Los diagramas universales de radiación para el plano 𝐻 se representan teniendo como parámetro
fundamental el error de fase. Estos diagramas se representan en función de ( )A sen en el plano H y
de ( )b sen en el plano E. Si el error de fase es despreciable, la radiación en la boca de la bocina es
de tipo coseno. A medida que se aumenta el error de fase, el diagrama de radiación eleva el nivel de
lóbulos secundarios y rellena los nulos entre estos y el lóbulo principal.
16
Figura 3.2 Diagramas universales de radiación normalizados para plano H.
La directividad se obtiene integrando la potencia que llega a la apertura de la bocina, en el caso de la
bocina sectorial de plano H se puede calcular como:
4 ( ) (0)H H E
A bD t
(3.11)
En el caso de no tener ningún error de fase las eficiencias de iluminación en cada plano se pueden
calcular de forma fácil, quedando 28H y 1E debido a la distribución uniforme del campo en
el eje 𝑦.
Para el cálculo de la directividad con distintos errores de fase se suele utilizar valores ya predefinidos
como los mostrados en la siguiente figura:
Figura 3.3 Diagrama Normalizado para cálculo de directividad 𝐷𝐻.
Cuando se mantiene una longitud constante en la bocina, un aumento de la apertura provoca un
incremento de la directividad, pero también provoca el aumento del error de fase, que más allá de
ciertos valores adecuados cancela el aumento de la directividad, producto del incremento de la apertura.
Las bocinas óptimas no son más que aquellas que cumplen la condición de ser las bocinas más cortas
para un valor de ganancia dado.
17
En el caso del plano H a partir de lo representado en la gráfica se puede observar que las bocinas óptimas
tienen un error de fase de
2
1
3
8 8opt
At
R , donde la relación entre la apertura y el largo de la bocina la
podemos definir como: 13A R .
La anchura de haz a -3𝑑𝐵 para A es:
1.36 ( ) 78 ( )HHPBW rad gradosA A
(3.12)
3.1.2. CÁLCULO DE DIRECTIVIDAD EN BOCINAS SECTORIALES DE
PLANO E
En el caso de las bocinas sectoriales de Plano E, el análisis es similar al que se hace en el plano H. Los
campos en la apertura se ven afectados por un error de fase y puede aproximarse a:
2
28
0ˆ( , ) cos
yj s
Ba
xE x y E e y
A
(3.13)
Figura 3.4 Bocina sectorial de plano E
En este caso el diagrama del plano H no se ve modificado ya que no varía sus dimensiones con respecto
a la guía de alimentación, las modificaciones ocurren en el plano E a causa del error de fase.
El error máximo de fase en la apertura de la bocina se produce en el extremo de la bocina con respecto
al centro, o sea, cuando 𝑦 = 𝐵/2, su valor es:
2
22y
R
(3.14)
2
max
2
2 28
Bs
R
(3.15)
siendo 𝑠 la diferencia en longitudes de onda entre el centro de la bocina y los extremos:
2
28
Bs
R (3.16)
Una vez más los diagramas universales de radiación se modelan para distintos valores del error de fase
𝑠 . Cuando el error de fase es despreciable el primer lóbulo secundario se sitúa a -13.5dB
18
aproximadamente, a medida que aumenta el error de fase, aumentan también los lóbulos secundarios y
además se rellenan los nulos.
Figura 3.5 Diagramas universales de radiación normalizados para plano E.
La directividad puede calcularse a partir de la siguiente fórmula:
4 (0) ( )E H E
a BD s
(3.17)
La eficiencia H equivale a:
2
8(0)H
(3.18)
La eficiencia E se calcula en función del error de fase.
De nuevo se utiliza una gráfica para el cálculo de la directividad:
Figura 3.6 Diagrama normalizado para cálculo de directividad 𝐷𝐻.
La bocina óptima en el plano E, para tener una directividad máxima, se obtiene cuando el error de fase
es
2
2
1
8 4opt
Bs
R , donde 22B R .
19
La anchura del haz a -3𝑑𝐵 siempre que se cumpla que la condición de B es:
54 ( )EHPBW gradosB
(3.19)
3.1.3. BOCINA PIRAMIDAL
La bocina piramidal es la forma más común de bocina rectangular. Producto del ensanchamiento en
ambos planos los campos en la apertura de la bocina presenta errores de fase en ambos planos. El campo
eléctrico en la apertura es el resultado de la combinación de los campos en los planos E y H de las
antenas sectoriales.
2 21 2( 2)( )
0ˆ cos
j x R y R
a
xE yE e
A
(3.20)
La distribución de campo es de tipo separable y coincide con la distribución de campo de cada plano
por separado. De este modo el diagrama de los planos 𝐸 y 𝐻 de la bocina piramidal se puede calcular a
partir del análisis de los diagramas universales de las bocinas sectoriales.
La directividad de la bocina piramidal se calcula como:
( ) ( )32
PL H ED D t D sb a
(3.21)
Cumpliendo con la condición geométrica:
1 21 1a b
R RA B
(3.22)
Además requiere que la garganta de la bocina piramidal coincida con la guía rectangular que le sirve de
alimentación.
Las dimensiones óptimas para máxima ganancia de la bocina piramidal son:
13A R (3.23)
22B R (3.24)
Los cálculos obtenidos a partir de los análisis anteriores se asemejan bastante a los que se miden en los
resultados de los diseños, ya que incluyen los campos de óptica geométrica y de difracciones en los
bordes de las bocinas. Los errores que se comenten son bastante pequeños respecto a las medidas, no
suelen superar los 0.5dB, y se deben a difracciones múltiples y reflexiones en el interior de la bocina
que producen pequeñas variaciones de ganancia.
3.1.4. BOCINA PIRAMIDAL CORRUGADA
El principal problema que presentan las antenas piramidales sin corrugaciones es que el diagrama de
radiación en el plano E presenta lóbulos secundarios muy altos, con respecto al lóbulo principal. En
nuestro caso es un inconveniente a tener en cuenta, porque se afectan los diagramas de radiación en
elevación de la antena que se está diseñando.
El uso de corrugaciones en las paredes perpendiculares al campo en el Plano E de la bocina piramidal,
como se muestra en la figura 3.7, reduce las corrientes longitudinales sobre dichas paredes, forzando
un campo en la apertura que sigue una ley de amplitud tipo coseno en ambos planos. En otras palabras,
en el plano E el campo eléctrico deja de tener una distribución uniforme para tener una distribución
coseno.
20
Figura 3.7 Bocina piramidal corrugada en plano E
El campo en la apertura se puede calcular a partir de la siguiente ecuación:
2 21 22
ˆ cos cosj kx R R y
E y x x eA B
(3.33)
El diseño de las corrugaciones se hace cumpliendo los siguientes criterios:
- t W
- 0( ) 4t W
- 0 04 0,375d
Para obtener los diagramas de radiación en ambos planos se deben utilizar los diagramas universales
normalizados correspondientes a las bocinas sectoriales de plano H, utilizando como valores de diseño:
-Para el Plano E: 1b y 2
2 1 28t b R
-Para el Plano H: 1a y 2
1 1 18t a R
Si se diseña una antena óptima se aplican en ambos planos el criterio que se utiliza para las bocinas
sectoriales de plano H.
- 1 13a R con
2
11
1
3
8 8opt
at
R
- 1 23b R con
2
12
2
3
8 8opt
bt
R
El resultado de usar este tipo de bocina es que se reduce el nivel de lóbulos secundarios en comparación
con la bocina piramidal lisa aunque tenga grandes errores de fase, esto permite hacer distintos diseños
independientemente que el error de fase sea muy grande.
21
3.2. DISEÑO DE LA ANTENA DE BOCINA
En este apartado se analizarán distintos diseños, hasta obtener un prototipo que satisfaga los objetivos
iniciales. Los cálculos para obtener una bocina óptima, nos sirven como punto de partida para obtener
unas dimensiones que nos permitan obtener la mayor directividad posible, pero como la base de nuestra
antena monopulso es una guía multimodo, nos apoyaremos en el software HFSS para obtener los
mejores resultados.
3.2.1. ANTENA DE BOCINA PIRAMIDAL
Como ejemplo, se va a analizar una bocina piramidal comercial que sirva de referencia a la hora de
diseñar la bocina de la antena monopulso [9]. Obtuvimos sus parámetros y analizamos su
comportamiento en la banda de frecuencia en la que tenemos que trabajar. La antena comercial tiene
una base formada por una guía de onda rectangular. La frecuencia central es de 94GHz, con lo cual la
longitud de onda en el espacio libre es de 3.19mm. Las dimensiones de la base coinciden con la guía
de onda WR-10 para que solo se propague el modo fundamental TE10. Las dimensiones de la bocina
se muestran en la tabla (3.1):
Dimensiones Valor (mm)
Guías de entrada
anchura 2.54
altura 1.27
longitud 3.00
Bocina Piramidal
anchura 24.61
altura 18.69
longitud 49.23
Tabla 3.1 Dimensiones de Antena Comercial
Figura 3.8 Antena piramidal comercial en banda W.
La reflexión de esta antena en el puerto de entrada está siempre por debajo de los -27dB en
toda la banda de interés.
22
Figura 3.9 Parámetros de reflexión de antena de bocina piramidal comercial.
La directividad máxima que se obtiene en el diagrama suma de la antena comercial en su
análisis es de 24.18 dB.
Figura 3.10 Diagrama de radiación suma.
Las buenas prestaciones que tiene esta antena comercial nos va a servir como punto de partida para
realizar nuestro diseño y lograr obtener los diagramas de radiación y parámetros eléctricos deseados,
así como la mayor sencillez posible para que la antena final pueda ser fabricada.
3.2.2. ANTENA DE BOCINA SECTORIAL DE PLANO H DE DOS
PUERTOS
Partiendo de la base diseñada en el capítulo anterior, lo primero es encontrar la mejor configuración
para obtener los diagramas deseados. Nuestra sección de antena tiene solo dos puertos de entrada,
jugando con las fases de las excitaciones lograremos generar los diagramas suma y diferencia en azimut.
Si ambos puertos se excitan con la misma fase, se propagará en la antena el modo 𝑇𝐸10 obteniendo un
diagrama de radiación suma, por el contrario si los puertos de entrada son excitados con un desfasaje
de 180º entre ellos, se propagará dentro de la antena el modo 𝑇𝐸20 generando un diagrama de radiación
diferencia en azimut. [10]
Diseñando una antena de bocina sectorial en plano H, podemos aumentar la directividad de los modos
𝑇𝐸10 y 𝑇𝐸20. Lo que se busca es obtener una bocina con alta directividad y baja reflexión en los puertos
de entrada. En la figura 3.11 y la tabla 3.2 se muestra la geometría de la antena y sus dimensiones. La
bocina presenta las mismas dimensiones en el plano H que la bocina de la antena comercial que
tomamos de ejemplo. Según sus dimensiones y guiándonos por los cálculos utilizados para hallar la
23
directividad en bocinas sectoriales en el plano H, se obtiene una directividad de 17,4dB
aproximadamente en el diagrama de radiación suma, con un error de fase de 1 2⁄ .
Figura 3.11 Antena de bocina en plano H de dos puertos.
Dimensiones Valor (mm) Dimensiones Valor (mm)
Guías de entrada + Sección de pico Sección de adaptación E 1
anchura 2.54 anchura 8.08
altura 1.27 altura 1.47
longitud 0.73 longitud 0.70
Sección de adaptación H1 Sección de adaptación E 2
anchura 6.34 anchura 8.08
altura 1.27 altura 2.04
longitud 1.31 longitud 1.12
Sección de adaptación H 2 Bocina
anchura 8.08 anchura 24.61
altura 1.27 altura 2.04
longitud 1.48 longitud 43.86
Tabla3.2 Dimensiones de antena de bocina en Plano H.
Los parámetros de reflexión en los puertos de la bocina son buenos, están por debajo de -22dB en toda
la banda de trabajo (Figura 3.12), aunque si analizamos el aislamiento entre puertos del diseño (Tabla
3.3) está por encima de -20 dB (-16,3dB a la frecuencia central) con lo cual se puede decir que no es
óptimo. La impedancia de los puertos, la constante de propagación y la longitud de onda de la señal que
se propaga dentro de la antena son otros de los parámetros que se reflejan en la tabla 3.3.
24
Figura 3.12 Parámetros de reflexión de antena de bocina plano H.
Tabla 3.3 Parámetros de antena de bocina plano H
En los diagramas de radiación de esta geometría, mostrados en las figuras 3.14 y 3.15, se consiguen
bajos niveles de directividad cruzada. Al ser una antena de bocina sectorial en el plano H, los diagramas
en elevación, tanto el diagrama suma como el diagrama diferencia, no son directivos.
Figura 3.13 Diagrama de radiación suma.
25
Figura 3.14 Diagrama de radiación diferencia en azimut.
3.2.3. ANTENA DE BOCINA SECTORIAL DE PLANO H DE CUATRO
PUERTOS
Si se utilizan dos secciones similares a la bocina sectorial de plano H de dos puertos, con una ranura
intermedia que separe ambas secciones de antena, se obtiene una geometría con cuatro puertos de
entrada y la posibilidad de generar el diagrama de radiación diferencia en elevación. En la figura 3.15
se muestra la nueva antena de cuatro puertos.
Como la nueva apertura es mayor en el plano E aumenta la directividad en elevación, aunque sigue sin
llegar a los objetivos del diseño final. El problema principal que aparece es la elevación de los lóbulos
secundarios, causado por la separación de las aperturas de las bocinas más de 0,5λ, además de la
difracción con la que se ve afectado el campo en la apertura en el plano E.
En este nuevo prototipo si se excitan todos los puertos con la misma fase se obtiene el diagrama de
radiación suma, si se excitan los dos puertos izquierdos con una diferencia de fase de 180º con respecto
a los dos puertos derechos se obtiene el diagrama de radiación diferencia en azimut, por último si se
excitan los puertos superiores con 180º de desfasaje con respecto a los puertos inferiores, se obtiene el
diagrama de radiación diferencia en elevación [10].
Figura 3.15 Antena de bocina en plano H de cuatro puertos.
Como son dos secciones de antenas similares a la analizada anteriormente, la reflexión en los puertos
tiene también una respuesta similar. En la figura 3.17 se refleja el comportamiento de la reflexión de
los puertos en toda la banda, a frecuencias bajas tiene una peor respuesta, pero en la parte central y alta
de la banda se obtiene una mejor respuesta.
26
En la tabla 3.4 se muestran otros resultados de la bocina de cuatro puertos. En el caso de los parámetros
de reflexión, se observa que los puertos adyacentes (puertos 1 y 2, 3 y 4) no están totalmente aislados
entre ellos, ya que el desacoplo está por encima de -20dB. También se puede ver que la impedancia de
los cuatro puertos es bastante similar. La constante de propagación es real, lo que indica que hay
propagación de los modos excitados.
Figura 3.16 Parámetros de reflexión de antena de bocina en plano H de cuatro puertos.
Tabla 3.4 Parámetros de antena de bocina en plano H de cuatro puertos.
En las figuras 3.17, 3.18 y 3.19 se muestran los tres diagramas de radiación que se obtienen excitando
con las fases adecuadas los puertos de entrada de la antena. En las figuras se muestra la directividad en
todo el plano theta, y con ángulo phi de 0º, 45º y 90º. La directividad cruzada es bastante baja en los
tres diagramas citados. En el caso de los diagramas de elevación (líneas de color magenta), ya se
obtienen con esta configuración aunque no se alcanza todavía la directividad deseada en este proyecto.
Figura 3.17 Diagrama de radiación suma.
27
Figura 3.18 Diagrama de radiación diferencia en azimut.
Figura 3.19 Diagrama de radiación diferencia en elevación.
Con esta geometría se obtiene una directividad de 20.676dB en el canal suma, los centros de las
aperturas de las antenas están separados más de 0.5λ entre ellos, por lo que aparecen lóbulos
secundarios, que afectan la respuesta de la antena. Por tanto con este prototipo se obtienen los tres
diagramas pero no se acerca a los objetivos eléctricos exigidos en el diseño.
3.2.4. ANTENA DE BOCINA PIRAMIDAL DE CUATRO PUERTOS
Para mejorar los diagramas de radiación en elevación se va a sustituir las bocinas con expansión en el
plano H por una bocina piramidal. Con la bocina piramidal se aumenta la directividad en el plano E lo
que provoca una mejor respuesta de los diagramas de radiación en elevación.
Los criterios de diseños siguen siendo los mismos, obtener una antena con bajas reflexiones en todos
sus puertos e intentar alcanzar los 25dB de directividad con errores de fase óptimos. Con ayuda del
software HFSS se obtuvo una configuración con dimensiones optimizadas para que la antena tenga
buenas prestaciones.
En la figura 3.20 se tiene la nueva geometría, así como sus dimensiones detalladas en la tabla 3.5.
28
Figura 3.20 Antena de bocina piramidal de cuatro puertos.
Dimensiones Valor (mm) Dimensiones Valor (mm)
Guías de entrada + Sección de pico Sección de adaptación E 1
anchura 2.54 anchura 8.08
altura 1.27 altura 1.47
longitud 0.82 longitud 0.70
Sección de adaptación H1 Sección de adaptación E 2
anchura 6.34 anchura 8.08
altura 1.27 altura 2.04
longitud 1.33 longitud 1.12
Sección de adaptación H 2 Bocina
anchura 8.04 anchura 24.61
altura 1.27 altura 20.28
longitud 1.48 longitud 43.85
ranura entre bases 0.25
Tabla 3.5 Dimensiones de antena de bocina piramidal de cuatro puertos.
Los parámetros de reflexión, así como los acoplos entre los puertos son mucho más bajos en esta
geometría que en las anteriores. Si se analiza la figura 3.21, se aprecia que las reflexiones en los puertos
de entrada y los acoplos entre puertos están siempre por debajo de -25dB.
En la tabla 3.6 se muestran los parámetros S, las impedancias de entrada de los puertos, la constante de
propagación y la longitud de onda de las señales dentro de la antena a la frecuencia central de la banda,
obteniéndose buenas prestaciones con esta configuración.
29
Figura 3.21 Parámetros de reflexión de antena de bocina piramidal de cuatro puertos.
Tabla 3.6 Parámetros de antena de bocina piramidal de cuatro puertos.
Los diagramas de radiación que se presentan en las figuras 3.22, 3.23 y 3.24, muestran la directividad
de la antena, así como la directividad cruzada. Los diagramas de radiación en elevación son mejores
que las geometrías analizadas anteriormente. La directividad se aumentó, en el caso del diagrama suma,
hasta los 26.1dB. La directividad cruzada sigue siendo baja, cumpliendo con los objetivos del proyecto.
Aunque estos diagramas son bastante buenos, en elevación (líneas de color magenta) siguen
apareciendo lóbulos secundarios que afectan la respuesta de la antena. Esto se debe a que la respuesta
de la bocina piramidal en el plano E presenta lóbulos secundarios elevados, debido a la difracción que
se produce en su apertura.
Figura 3.22 Diagrama de radiación suma.
30
Figura 3.23 Diagrama de radiación diferencia en azimut
Figura 3.24 Diagrama de radiación diferencia en elevación.
3.2.5. DISEÑO FINAL: ANTENA DE BOCINA PIRAMIDAL DE OCHO
PUERTOS
Otra geometría que fue analizada se muestra en la figura 3.25. En este caso se aumenta el número de
puertos de entrada al doble manteniendo aproximadamente la misma apertura en la bocina piramidal.
Ahora esta antena tendrá 8 puertos de entrada y la excitación para obtener los tres diagramas de
radiación deseados también cambia, aunque se mantiene la misma filosofía de las geometrías anteriores.
Ahora para obtener los diagramas de radiación suma en azimut y elevación se excitan todos los puertos
con la misma fase de entrada, para obtener el diagrama diferencia en azimut es necesario excitar los
cuatro puertos derechos desfasados 180º respecto a los cuatro puertos izquierdos. Para lograr el
diagrama de radiación diferencia en elevación se excitan los cuatro puertos superiores con un desfasaje
de 180º respecto a los cuatro puertos inferiores.
31
Figura 3.25 Antena de bocina piramidal de ocho puertos.
En la tabla 3.7 se muestran las dimensiones optimizadas de la antena de bocina piramidal de ocho
puertos.
Dimensiones Valor (mm) Dimensiones Valor (mm)
Guías de entrada + Sección de pico Sección de adaptación E 1
anchura 2.54 anchura 8.04
altura 1.27 altura 1.47
longitud 0.82 longitud 0.66
Sección de adaptación H1 Sección de adaptación E 2
anchura 6.34 anchura 8.04
altura 1.27 altura 2.05
longitud 1.33 longitud 1.90
Sección de adaptación H 2 Bocina
anchura 8.04 anchura 24.61
altura 1.27 altura 18.69
longitud 1.48 longitud 43.85
ranura entre bases 0.25
Tabla 3.7 Dimensiones de antena de bocina piramidal de ocho puertos.
Si se analizan los parámetros de reflexión de los puertos, mostrados en las figuras 3.26 y 3.27, se puede
observar que en la parte baja de la banda de frecuencias, los resultados no superan a los de la antena de
bocina piramidal de cuatro puertos. Aunque esta antena cumple con los objetivos de tener una reflexión
inferior a los -20dB. En la parte alta de la banda de frecuencias se obtiene mejor respuesta en la reflexión
de los puertos. En la frecuencia central de la banda los resultados son óptimos.
32
Figura 3.26 Parámetros de reflexión de antena de bocina piramidal de ocho puertos.
Tabla 3.8 Parámetros S de antena de bocina piramidal de ocho puertos.
A continuación en las figuras 3.27, 3.28 y 3.29 se muestran los diagramas de radiación que se obtienen
en esta configuración.
3.27 Diagrama de radiación suma.
33
3.28 Diagrama de radiación diferencia en azimut
3.29 Diagrama de radiación diferencia en elevación.
Los diagramas de radiación mejoran su respuesta respecto a la geometría de cuatro puertos, ya que
consigue rebajar un poco la amplitud de los lóbulos secundarios, aunque siguen siendo elevados,
producto de la difracción en los bordes de la apertura en la expansión del plano E. Independientemente
de este problema, la antena presenta buenos parámetros eléctricos, la reflexión en los puertos es inferior
a -20dB y la polarización cruzada es baja y la directividad alcanza los 25.85 dB en el diagrama de
radiación suma.
Teniendo en cuenta el análisis detallado y la respuesta de los parámetros de las distintas
configuraciones diseñadas en este capítulo y atendiendo a los objetivos trazados en este proyecto, se
toma el diseño de antena piramidal de ocho puertos como prototipo final de la antena monopulso para
la banda W.
34
4. ALIMENTACIÓN DE LA ANTENA
4.1. DIVISOR DE POTENCIA
El circuito de alimentación del prototipo anterior necesita cuatro puertos de entrada en la antena para
generar los tres diagramas de radiación deseados, por tanto se necesita reducir a la mitad la cantidad de
puertos actuales de la antena. Para ello, vamos a utilizar divisores de potencia que proporcionen la
misma excitación a dos puertos, ya que para generar los tres diagramas de radiación se necesita que los
pares de puertos consecutivos y verticales (1 y 3; 2 y 4; 5 y 7; 6 y 8) siempre estén excitados con la
misma fase (Figura 4.1). Por tanto con el divisor de potencia se puede reducir el problema de alimentar
ocho puertos a alimentar solo cuatro.
Figura 4.1 Fases de excitación de la antena de 8 puertos. a) Diagramas de radiación suma, b) diagrama
de radiación diferencia en azimut, c) diagrama de radiación diferencia en elevación.
Un divisor de potencia es un componente pasivo de microondas que se puede usar tanto para dividir
como para combinar señales. Cuando se usa como divisor la señal de entrada es dividida entre dos o
más puertos de manera equitativa o no, en dependencia de la necesidad que se quiera cubrir. Cuando se
usa como combinador de señales tiene dos o más señales de entrada y las combina por un puerto de
salida.
Los divisores de potencia suelen proporcionar señales de salida en fase, dividiendo la potencia a partes
iguales en cada puerto de salida, aunque también es posible diseñarlos para obtener relaciones de
potencia desiguales.
En el caso que nos ocupa, vamos a analizar un divisor de potencia de tres puertos, caracterizado por su
matriz de dispersión 𝑆:
11 12 13
21 22 23
31 32 33
S S S
S S S S
S S S
(3.1)
Si el dispositivo es pasivo y no contiene materiales anisótropos, se considera un dispositivo recíproco
y su matriz S será simétrica, 𝑆𝑖𝑗 = 𝑆𝑗𝑖. Además, se quiere que el dispositivo no tenga pérdidas y sus
puertos estén adaptados, 𝑆𝑖𝑖 = 0. Con estas condiciones la matriz 𝑆 del dispositivo quedaría de la
siguiente forma:
12 13
12 23
13 23
0
0
0
S S
S S S
S S
(3.2)
35
Para que no tenga pérdidas, la conservación de la energía requiere que la matriz 𝑆 satisfaga la
condición 𝑆 ∙ 𝑆𝑇 = 𝐼, lo que conduce a las siguientes condiciones:
2 2* *
12 21 13 31 12 13 1S S S S S S (3.3)
2 2* *
21 12 23 32 12 23 1S S S S S S (3.4)
2 2* *
31 13 32 23 13 23 1S S S S S S (3.5)
El cumplimiento de todas las condiciones no es posible, por lo que no se puede tener un divisor de
potencia de tres puertos que sea recíproco, que no tenga pérdidas y con todos sus puertos adaptados al
mismo tiempo. Por tanto hay que prescindir de una de las condiciones anteriores para poder obtener un
dispositivo realizable.
En dependencia de la condición que no se cumpla se pueden obtener uno u otro dispositivo. Si el
dispositivo de tres puertos no cumple la condición de reciprocidad, 𝑆𝑖𝑗 ≠ 𝑆𝑗𝑖se obtendrá un circulador.
Si el dispositivo no tiene todos sus puertos adaptados, entonces lo que se obtiene es un divisor de
potencia.[6]
4.1.1. DIVISOR DE POTENCIA EN PLANO E
Para la antena que se desea diseñar interesa que el divisor de potencia sea un divisor en plano E, debido
a que los puertos que necesitan la misma excitación se encuentran emparejados en el eje vertical de la
base de la antena.
El divisor de potencia en el plano E, como se muestra en la figura 4.2, consiste en una guía de onda
con un salto en el plano E, la misma la conforma una guía de entrada, una sección de adaptación de
dos etapas y dos guías de salida. En el plano H se mantiene constante el ancho de la guía a lo largo de
todo el divisor, porque interesa que los tres puertos tengan las mismas dimensiones y llegue la señal
con el mismo modo de propagación.
Las guías de entrada y salida del divisor son WR-10, las dos secciones de adaptación servirán para
acoplar los puertos de entrada y de salida para que el dispositivo se comporte como un divisor de
potencia y que se reparta adecuadamente la potencia por los puertos de salida. Las dimensiones del
divisor de potencia se pueden obtener en la tabla 4.1. Las salidas del divisor se conectarán a los puertos
de entrada de la antena de ocho puertos que obtuvimos en el capítulo anterior y así completar el diseño.
Por lo que necesitaremos 4 divisores en total.
Figura 4.2 Divisor de potencia en plano E.
36
Dimensiones Valor (mm)
Guías de entrada
anchura 2.54
altura 1.27
longitud 3.67
Sección de adaptación 1
anchura 2.54
altura 1.74
longitud 2.86
Sección de adaptación 2
anchura 2.54
altura 3.20
longitud 2.45
Guías de Salida
anchura 2.54
altura 1.27
longitud 4.19
ranura 1.03
Tabla 4.1 Dimensiones del divisor
Con ayuda de los softwares HFSS y µWave se obtiene la siguiente respuesta en banda (Figura 4.3). De
color rojo se representa la reflexión del puerto de entrada del divisor, esta reflexión es inferior a -33𝑑𝐵
en toda la banda de interés. Los parámetros más importantes para la frecuencia central del diseño se
muestran en la tabla 4.2. En ella se aprecia que la potencia se divide a la mitad en cada puerto de salida
del divisor. Por lo que el divisor de potencia diseñado cumple con las condiciones y los objetivos
adecuados.
Figura 4.3 Parámetros de reflexión y transmisión del divisor.
Figura 4.4 Parámetros del divisor.
37
Nuevamente, tenemos una limitación en el diseño de la antena, debido a que la ranura entre los puertos
de entrada de la antena es de tan solo 0,1𝑚𝑚, la pared entre los divisores paralelos va a ser también de
0,1mm, por tanto su fabricación será muy difícil y sería una estructura muy frágil. Es por eso que se
decidió hacerle una pequeña modificación al divisor para lograr una mayor separación entre ellos. Esta
modificación consiste, como se muestra en la figura 4.5, en desviar las guías de salida del divisor en el
plano horizontal llegando a tener una separación entre divisores de 0,9mm, facilitando así su fabricación
y consiguiendo mayor robustez a la antena. El resto de dimensiones se mantienen constantes para
intentar obtener las mismas prestaciones en el dispositivo (Tabla 4.2).
Figura 4.5 Divisor de potencia con separación en la salida.
38
Dimensiones Valor (mm)
Guías de entrada
anchura 2.54
altura 1.27
longitud 3.67
Sección de adaptación 1
anchura 2.54
altura 1.74
longitud 2.86
Sección de adaptación 2
anchura 2.54
altura 3.20
longitud 2.45
Sección de salida
Anchura 2.54
Altura 1.27
Longitud 4.19
Ranura 1.03
Guías de salida inclinada
anchura 2.54
altura 1.27
longitud 3
Tabla 4.2 Dimensiones del divisor.
En la figura 4.6 se muestra la respuesta que se obtiene en la banda de frecuencias de interés, nuevamente
la reflexión en el puerto de entrada está por debajo de -33dB en toda la banda y en la tabla 4.3 podemos
observar los parámetros S, las impedancias de entrada, la constante de propagación y las longitudes de
onda dentro del divisor.
Figura 4.6 Parámetros de reflexión y transmisión del divisor.
39
Tabla 4.3 Parámetros del divisor.
El divisor de potencia cumple con los objetivos adecuados, a pesar de las modificaciones realizadas
para que se adapte a la antena anteriormente diseñada. Presenta muy buena reflexión en el puerto de
entrada y la transmisión se divide en partes iguales entre los puertos de salida del divisor.
4.2. RED DE ALIMENTACIÓN
Para el adecuado funcionamiento de la antena monopulso diseñada en este proyecto, va a ser necesario
una red de alimentación conformada con tres receptores de amplitud, uno para cada diagrama de
radiación con información del blanco. Esta red debe ser capaz de combinar la transmisión y la recepción
de la señal con los mismos dispositivos, dado que en un radar pulsado la transmisión se hará de forma
secuencial dentro de cada intervalo de transmisión de pulso. La recepción de la información debe poder
separarse para llevar a cada uno de los receptores la información correcta de los diagramas de radiación.
En este proyecto no vamos a diseñar esta red de alimentación, pero sí vamos a dar algunas ideas para
su fabricación, que sirva para el correcto funcionamiento de esta antena monopulso. En la figura 4.7 se
muestra un diagrama de una posible implementación de la red de alimentación.
Figura 4.7 Red de alimentación con tres receptores de amplitud para antena de cuatro puertos.
La figura describe cómo se van combinando las señales para lograr alimentar los tres diagramas
deseados en los puertos de la antena. Los principales componentes de esta red son las uniones ʺtʺ y
ʺt-mágicasʺ de cuatro puertos, gracias a ellas se pueden mezclar señales en fase o en contrafase.
En el caso particular de la t-mágica de cuatro puertos (Figura 4.8a) si se excita con una señal de entrada
por el puerto 2, en los puertos 1 y 3 se dividirá la potencia y se obtendrán dos señales iguales con la
misma fase, quedando aislado el puerto 4, muy parecido al principio de funcionamiento del divisor de
potencias. En cambio, cuando se excita por el puerto 4, al estar en un plano diferente, las señales de
campo se dividen y llegan a los puertos 1 y 3 con la misma potencia pero en contrafase, quedando
aislado el puerto 2. En el sentido inverso, cuando llegan dos señales a los puertos 1 y 3 estas se combinan
y al puerto 2 llegan las señales sumadas y al puerto 4 llega la diferencia entre ambas señales.[11]
40
Basados en este principio de combinaciones de señales de entrada y salida se obtienen las excitaciones
necesarias para generar los tres diagramas de radiación en los puertos de la antena monopulso. Serán
necesarios cuatro dispositivos híbridos, una t convencional de plano H y tres t-mágicas.
Figura 4.8 a) T-mágica de cuatro puertos, b) T-mágica de cuatro puertos plegada.
Por conveniencia del diseño y para que la red quede más compacta, puede ser útil utilizar t-mágicas
plegadas (Figura 4.8 b), sobre todo en los puertos de la antena, así se ahorra en espacio y en dispositivos
ya que se evitaría el uso de codos y otros dispositivos para conectar la salida de las t-mágicas con los
puertos de entrada de la antena piramidal.
En la banda que estamos trabajando, la t-mágica simple no tiene muy buen funcionamiento, es necesario
apoyarse en algunas modificaciones. Algunos dispositivos mejoran sus prestaciones con la inclusión de
irises o postes que ayudan en la adaptación de impedancia. En resumen, la red de alimentación tendrá
mayor complejidad dependiendo de la geometría final con que se diseñe la t-mágica.
41
5. RESULTADOS
Una vez definido la forma en que se puede alimentar la antena para lograr excitar los puertos de la
misma, se puede presentar el dispositivo final (Figura 5.1) resultado de las simulaciones realizadas. El
mismo, como habíamos adelantado, tendrá cuatro puertos de entrada que con la excitación adecuada
generarán los tres diagramas de radiación deseados.
Figura 5.1 Prototipo final de la antena monopulso.
Analizando los parámetros de reflexión mostrados en la figura 5.2 y la matriz S de los cuatro puertos
de entrada a la frecuencia central en la tabla 5.1, se aprecia que tanto las reflexiones como los acoplos
entre puertos se encuentran por debajo de -20dB, con lo cual este resultado se puede tomar como
satisfactorio.
Figura 5.2 Reflexión en los puertos.
42
Tabla 5.1 Parámetros S a 94GHz.
Otro objetivo a tener en cuenta es el comportamiento de la directividad a lo largo de todo el ancho de
banda, lo ideal sería que se mantenga constante, cosa que es bastante difícil debido a que la longitud de
onda varía. Un valor aceptable es que la directividad no varíe más de 0.5 dB. En nuestra antena, este
valor se cumple, tal como se puede apreciar en la figura 5.3, en el máximo de radiación del diagrama
suma, la directividad total fluctúa entre 25.5 y 26 dB en toda la banda de trabajo.
Figura 5.3 Directividad Total
Los diagramas de radiación también son una medida de que el diseño es estable en toda la banda. Si se
observa en las siguientes figuras, se puede apreciar que los diagramas de radiación en toda la banda de
frecuencias son bastante similares. A pesar de incluir el divisor de potencia a la base de la antena no se
ven afectados los diagramas de radiación. En las figuras 5.4, 5.5 y 5.6 se reflejan los diagramas de
radiación suma en las frecuencias de 92, 94 y 96 GHz. Los tres diagramas son bastante similares, el
primer lóbulo secundario que se observa, está aproximadamente a unos 10dB por debajo del lóbulo
principal en las tres frecuencias.
Figura 5.4 Directividad Suma a 92GHz.
43
Figura 5.5 Directividad Suma a 94GHz.
Figura 5.6 Directividad Suma a 96GHz.
Los diagramas de radiación diferencia en azimut se representan en las figuras 5.7, 5.8 y 5.9 para las
frecuencias 92, 94 y 96 GHz respectivamente. Estos diagramas están muy bien definidos, con bajos
niveles de lóbulos secundarios. También presentan bajos niveles de polarización cruzada, el nulo que
presenta este diagrama en el centro del haz (theta=0) está muy bien definido, teniendo más de 30dB de
profundidad respecto a los máximos de los lóbulos principales. Los diagramas diferencia en azimut no
presentan tampoco mucha variación en su forma en las distintas frecuencias de trabajo dentro de la
banda de interés.
44
Figura 5.7 Directividad diferencia en azimut a 92GHz.
Figura 5.8 Directividad diferencia en azimut a 94GHz.
Figura 5.9 Directividad diferencia en azimut a 96GHz.
Por último se muestra en las figuras 5.10, 5.11 y 5.12, los diagramas de radiación diferencia en elevación
de las frecuencias de 92, 94 y 96 GHz. En este caso la respuesta no es tan buena como el diagrama de
45
radiación en azimut, debido a que se desperdicia un poco de energía en la generación de lóbulos
secundarios, aunque estos están a unos 18dB por debajo de los máximos, un valor que se puede tomar
como aceptable teniendo en cuenta las dificultades que nos produce la propia naturaleza de la estructura.
El resto de parámetros como la profundidad del nulo en el centro del haz, así como la polarización
cruzada se puede tomar como valores aceptables de cara a los objetivos de este proyecto.
Figura 5.10 Directividad diferencia en elevación a 92GHz
.
Figura 5.11 Directividad diferencia en elevación a 94GHz
46
Figura 5.12 Directividad diferencia en elevación a 96GHz
En general, la antena de bocina piramidal cumple con los requisitos propuestos en los objetivos. Es un
diseño bastante completo que puede ser utilizado tanto de forma individual, o como parte de un reflector
parabólico. Entre los principales inconvenientes que presenta este diseño en esta banda de frecuencia,
es el tamaño reducido de sus componentes que pueden resultar en ocasiones muy difíciles de fabricar,
obligando a utilizar vías de solución más simples pero menos eficientes.
47
6. CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS
6.1. CONCLUSIONES
La utilidad de las antenas monopulsos para la fabricación de radares de seguimiento en la actualidad es
primordial. En la industria aeronáutica y espacial, antenas como esta son altamente demandadas para el
seguimiento de aeronaves y basura cósmica por sus buenas prestaciones y su precisión, ya que pueden
actualizar la información de posición del blanco a tiempo real. En el caso de las antenas monopulso
basadas en guías de onda son equipos ideales para este propósito, debido a su fiabilidad y alta robustez
para soportar grandes cambios de temperatura, humedad y largos tiempos entre reparaciones, ya que en
ocasiones estos equipos estarán operando en lugares de difícil acceso.
El principal reto de este proyecto fue obtener una configuración capaz de brindar una solución viable
para las diversas problemáticas a cubrir. Se llevó a cabo el análisis y la síntesis de una antena de bocina
piramidal, basada en guías de onda rectangulares. Gracias a las buenas características eléctricas que
presenta esta tecnología se obtuvo una antena final que cumple con los objetivos marcados.
Los resultados demuestran que se puede implementar una antena con buenas prestaciones para ser
utilizada como parte de un sistema radar monopulso. Los principales inconvenientes que se tuvieron en
cuenta fue la propia banda de frecuencia que al tener una longitud de onda de 3mm hace que los
componentes sean de un tamaño reducido, lo que dificulta su fabricación. Las prestaciones de algunos
de ellos no son óptimas, teniéndose que buscar soluciones alternativas para lograr mejores respuestas.
La antena propuesta, alcanza los 25dB de directividad con un ancho de banda de 4 GHz (92 a 96GHz).
Los parámetros de reflexión en los puertos están por debajo de los -20dB. Sin embargo los diagramas
de radiación en elevación no son óptimos, presentando lóbulos secundarios que hacen que no se
concentre toda la energía en la dirección principal de apuntamiento.
El trabajo se dividió en dos etapas fundamentales, la primera dedicada a obtener una base que fuera
capaz de generar los modos de propagación necesarios para alcanzar los diagramas deseados. En la
segunda etapa se diseñó una bocina para aumentar los parámetros de directividad manteniendo el resto
de parámetros eléctricos en buenas condiciones. Por último se recomendó una red de alimentación de
tres canales basada en t-mágicas para lograr excitar los puertos de la antena de forma correcta para su
adecuado funcionamiento. Todo este trabajo se hizo con ayuda de los programas HFSS y µWave para
optimizar al máximo todas las estructuras de este diseño.
6.2. LÍNEAS FUTURAS Y RECOMENDACIONES
A partir del trabajo realizado y de los resultados obtenidos en los cálculos y en las simulaciones para el
diseño de la antena monopulso para la banda W, sería conveniente continuar el estudio para mejorar
este diseño.
En primer lugar, se deberán analizar otras configuraciones que permitan que los lóbulos secundarios no
sean tan elevados en ninguno de los diagramas de radiación. Una posible configuración alternativa
consiste en intentar excitar los modos de propagación para los diagramas de radiación en elevación en
un eje distinto a los de azimut, así ambos diagramas llegan a la bocina en el mismo plano, evitando que
aumente la polarización cruzada y los lóbulos secundarios por la forma de propagarse la onda en las
bocinas sectoriales de plano E. El principal inconveniente que hay que tener en cuenta en esta
configuración alternativa, es la reflexión no deseada que se puede acoplar a los puertos de entrada de la
antena. También hay que analizar el circuito de alimentación que puede ser más difícil de construir
debido a la complejidad de la geometría del diseño.
Otra forma de afrontar el problema de los lóbulos secundarios elevados es utilizar bocinas corrugadas.
Gracias a las corrugaciones, que forman una reactancia capacitiva, rompen las componentes
longitudinales que se producen en las paredes de la bocina en el plano E, disminuyendo así los lóbulos
secundarios en el diagrama de radiación. La principal dificultad de estas bocinas es que son complejas
de fabricar en esta banda de frecuencias, debido a su reducido tamaño.
48
En cuanto a la red de alimentación de la bocina, es necesario el diseño y síntesis de t-mágicas que tengan
buenas prestaciones en la banda W, ya que son elementos imprescindibles en el diseño del circuito de
alimentación de esta antena monopulso.
49
7. BIBLIOGRAFÍA [1] J. P. Keener and J. Sneyd, “Chapter 18,” 1998.
[2] S. M. Sherman, “Monopulse principles and techniques.” p. 381, 2011.
[3] A. I. Leonov, “Monopulse Radar ( Radar Library ) By A . I . Leonov.”
[4] M. Song and T. Hong, “Sum and difference multiple beam modulation transmitted by multimode
horn antenna for inverse monopulse direction-finding,” Prog. Electromagn. Res., pp. 367–380,
2008.
[5] P. J. B. Clarricoats and A. D. Olver, “Corrugated Horns for Microwave Antennas.” 1984.
[6] D. Pozar, Microwave Engineering Fourth Edition. 2005.
[7] P. In and K. Elkoba, “Modal Analysis of an Antenna Feed System for a Multimode Monopulse
Radar,” Distribution, pp. 601–606, 2009.
[8] C. A. Balanis, “Antenna theory : analysis and design / Constantine A. Balanis.” 2005.
[9] F. E. Atures, “Series sgh,” pp. 3–7.
[10] R. J. Liu and W. B. Dou, “Design and anasysis of 3mm multimode monopulse feed,” 2007.
[11] F. He, “Innovative Microwave and Millimetre-Wave Components and Sub-Systems Based on
Substrate Integration Technology,” 2011.